Characterization and Performance of Nano-La2O3 Prepared by Detonation Method
-
摘要: 针对目前La2O3制备存在纯度低、烧结性差、分子间隙大等问题，发展纳米La2O3的新型制备方法显得尤为重要。以La(NO3)3·6H2O作为镧源加入乳化炸药中，通过乳化炸药爆轰反应为La2O3的合成提供高温高压条件，采用爆轰法在0.5 kg TNT当量真空爆炸容器内制备稀土纳米La2O3粉末。爆轰产物提纯、煅烧后，通过X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱进行产物的物相、形貌、成分表征，采用紫外-可见光光谱、氮气吸附-脱附等温线、CO2-程序升温脱附和O2-程序升温脱附进行性能测定，结果表明：煅烧温度对La2O3粉体的结晶生长具有显著影响；在煅烧温度为800 ℃、煅烧时间为3 h的条件下成功制备出吸收紫外光、纯净且分散性较好的纳米La2O3粉末，其粒径在50～175 nm区间，晶体结构为六方晶系；纳米La2O3的比表面积为17.46 m2/g，孔道有序性较好，且孔径分布集中，具有较好的酸性气体吸附能力和氧迁移性能。爆轰法应用于纳米La2O3粉末制备，为纳米La2O3的工业化制备提供了一种新的参考方法。Abstract: It is very important that new preparation method of nano-lanthanum oxide is explored in view of the current problems of low purity, poor sinterability, and large molecular gaps. Detonation method was employed to prepare rare earth nano-La2O3 powder in this study. La(NO3)3·6H2O was added to the emulsion explosive as a lanthanum source, and the high temperature and high pressure conditions for the synthesis of La2O3 were provided by the detonation reaction of the emulsion explosive in a 0.5 kg TNT equivalent vacuum explosion container. The physical phases, morphologies and ingredients of the purified and forged products were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and the powder performances were determined by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), Brunauer Emmett Teller (BET), CO2-temperature programmed desorption (CO2-TPD) and O2-temperature programmed desorption (O2-TPD). The results show that the forging temperature has a significant effect on the crystalline growth of La2O3 powder. Nano-La2O3 powder with high ultraviolet light absorption, high purity and good dispersion was successfully produced at a forging temperature of 800 ℃ and a forging time of 3 h. The particle size is in the range of 50－175 nm, and the crystal has a hexagonal structure. The specific surface area of the nano-La2O3 is 17.46 m2/g, with a good pore order and concentrated pore size distribution. The nano-La2O3 has good adsorption of acid gas and oxygen migration performance. The detonation method applied to the preparation process of nano-La2O3 powder provides a new reference for the industrial preparation of nano-La2O3.
-
Key words:
- emulsion explosive /
- detonation method /
- rare earth /
- nano-La2O3 /
- adsorption
-
纳米La2O3是一种环境友好的p型半导体稀土氧化物，具有晶体尺寸小、形貌结构复杂、比表面积大、光学活性高、选择吸附性强、晶格氧迁移等特点，在光催化[1]、汽车尾气净化[2]、气体传感器[3]、超疏水材料[4]、发光材料[5-6]、电池电极材料[7]、气敏材料[8]等领域应用较多。
目前，国内外对纳米La2O3及La基复合氧化物的制备进行了相关研究，提出了静电纺丝法、溶胶凝胶法、超声化学法等多种化学方法。王丽华等[9]研究了不同的制备方法对纳米La2O3形貌的影响，探究了纳米La2O3的晶格氧迁移能力和酸碱性。俞娟等[10]以硝酸镧、尿素和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料，采用水热法制备了形貌均匀的La2O3微球材料。薛越等[11]通过沉淀法制备碳载La2O3粒子，发现四甲基氢氧化铵（TMAH）、硫酸铵和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的加入都会对La2O3/C的组织结构产生影响。刘泽芳等[12]通过控制结晶条件，利用草酸盐沉淀法制备出多种形貌、粒度的La2O3粉体材料。Jin等[13]在环境温度和常压下，将高度有序的阳极氧化铝（AAO）薄膜浸入La(NO3)3溶液中，随后退火制备La2O3@AAO纳米复合材料。赵金花等[14]通过低温燃烧合成法合成表面多孔的La2O3，研究其对磷酸根离子的吸附性能。王晓月等[15]通过AAO模板法和溶胶凝胶法合成出纳米La2O3/AAO催化剂，并探究了其催化性能。Moothedan等[16]采用水热法合成了La2O3纳米棒，研究了其溶液的pH值、温度、吸附等温线和动力学吸附参数。卢博等[17]以经过特殊处理的稀土氯化镧溶液为原料，采用草酸沉淀法制备出颗粒粒径中位数D50小于10 μm的超细La2O3粉体。以上研究均采用化学制备法，涉及多种化学试剂和复杂的设备，对制备工艺要求高。此外，众多化学试剂的使用也会对环境造成一定污染。
爆轰法合成周期短、效率高，且零氧平衡或接近零氧平衡的乳化炸药中C、H、O、N元素会在爆炸瞬间变成气体释放，不会产生需要回收的化学溶剂和有毒气体。此外，零氧平衡时，能精确控制爆炸产物的化学成分。本研究以La(NO3)3·6H2O作为镧源加入到乳化炸药中，采用爆轰法在0.5 kg TNT当量真空爆炸容器内制备稀土纳米La2O3粉末。所用镧源为市场上常见的六水合硝酸镧，成本低、易获取，易于实现产业化，加快稀土冶炼工业的绿色高效发展。
1. 实 验
1.1 材料与药剂
硝酸铵（NH4NO3，分析纯），湖北凯龙楚兴化工集团有限公司；六水合硝酸镧（La(NO3)3·6H2O，分析纯），山东德胜新材料有限公司；复合蜡（C18H38，工业级），安徽向科化工有限公司；乳化剂Span-80（C24H44O6，工业级），深圳市金奥博科技股份有限公司；纯水和敏化剂膨化树脂微球均由实验室自制。
1.2 实验仪器与设备
实验仪器设备包括：JFS-550变速分散机，杭州齐威仪器有限公司；0.5 kg TNT当量真空爆炸容器，辽宁新华阳伟业装备制造有限公司；Smartlab SE型X射线衍射仪，日本理学公司；FlexSEM1000型扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM），日本Hitachi公司；Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR），赛默飞公司；Lambd950型紫外-可见光分光光度计（ultraviolet-visible spectroscopy, UV-Vis），美国PerkinElmer公司；ASAP 2460型比表面仪（Brunauer Emmett Teller，BET）和AutoChem Ⅱ 2920型程序升温化学吸附（temperature programmed desorption，TPD）仪，美国麦克公司。
1.3 合成制备
1.3.1 专用乳化炸药制备
以六水合硝酸镧为镧源加入乳化炸药中，炸药的氧平衡可表示为各组分的氧平衡与各组分的质量分数乘积的代数和。
为使爆轰过程不产生有毒气体，将乳化炸药设计成零氧平衡或接近零氧平衡，配方设计见表1。实际的乳化炸药在表1的基础上添加0.8%的膨化树脂微球作为乳化炸药的敏化热点。表2为设计的专用乳化炸药的爆炸结果。
表 1 专用乳化炸药配方设计Table 1. Formulation design of specialised emulsified explosiveNo. Mass fraction/% Oxygen balance NH4NO3 La(NO3)3·6H2O H2O Emulsifiers Composite wax 1 81 5 8 2 4 −0.0061 2 76 10 8 2 4 0.0024 3 71 15 8 2 4 0.0109 4 66 20 8 2 4 0.0194 表 2 专用乳化炸药爆炸的实验结果Table 2. Pre-experimental results of specialized emulsion explosivesNo. Explosive transmission
abilityAverage burst speed/(cm·s−1) 1 Full explosion 4015.1 2 Full explosion 4247.9 3 Full explosion 4513.5 4 Explosion rejection 由表1和表2可知：随着六水合硝酸镧质量分数的增加，氧平衡和爆速均增加；六水合硝酸镧的质量分数为20%时，氧平衡达0.0194；当六水合硝酸镧的质量分数为15%时，爆速为4513.5 cm/s。4种配方均接近零氧平衡。当六水合硝酸镧的质量分数为20%时，炸药产生拒爆现象。因此，本实验选择质量分数为15%的六水合硝酸镧作为实验镧源。
以制作450 g乳化炸药为目标，按照表1中的配方3称取各组分，即称取319.5 g硝酸铵、67.5 g六水合硝酸镧、36 g纯水、18 g复合蜡（C18H38）和9 g乳化剂（C24H44O6）。首先，将硝酸铵、六水合硝酸镧与纯水倒入烧杯中混合并加热至95～105 ℃区间，制得水相；然后，将复合蜡和乳化剂加入另一烧杯中，加热至95～100 ℃区间，制得油相；接着，设置变速分散机的转速为1100 r/min，乳化温度的范围为95～100 ℃，将水相倒入油相，混合搅拌3 min制得乳化基质；最后，在乳化基质中加入3.6 g膨化树脂微球进行物理敏化，用玻璃棒不断搅拌，混合均匀后冷却，形成本实验专用乳化炸药。
1.3.2 爆轰合成及提纯
真空爆炸容器见图1(a)，容器侧剖效果如图1(b)所示。实验期间，各封口保持密闭，防止爆炸生成的固体产物随气体泄漏。首先，将上述制备的乳化炸药装入药卷中，插入8号工业电雷管，悬挂于真空爆炸容器内引爆；爆轰结束5 h后，收集沉积在罐体内表面的爆轰产物，筛除雷管产生的碎屑；随后，将爆轰灰水洗，形成的悬浊液静置2 h后移除上清液，过滤得到固体，将固体使用纯水和无水乙醇多次交替清洗，放置于60 ℃烘箱中干燥；最后，将干燥后的物质充分研磨过筛，在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度分别设定为700、750和800 ℃，煅烧时间均为3 h。将3个煅烧温度下得到的白色粉末编号1、2、3，分别称重后保存于干燥的分装瓶中，留用待测。
1.4 样品的表征与测试
对产物进行X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）测试，以确定产物成分及晶型结构。测试时，旋转阳极靶为铜靶（Cu， Kα =0.15406 nm），2θ范围设定在10°～90°区间，扫描速度设置为4°/min。使用FlexSEM1000型SEM对粉体进行粒子形貌和粒径分析；为进一步证实La2O3的生成，用FT-IR测定产物官能团结构，扫描波长设置为4000～400 cm−1；使用UV-Vis对产物进行紫外分析；用BET比表面仪测定产物的比表面积、孔容及孔径；使用化学吸附仪对产物做CO2-程序升温脱附（CO2-TPD）和O2-程序升温脱附（O2-TPD）测试分析。
2. 结果与讨论
2.1 爆轰反应方程
硝酸镧作为反应的氧化剂或者辅助氧化剂，在爆炸反应过程中瞬间释放大量氧气，参照文献[18]中爆炸反应方程式书写规则B-W法，得到爆轰合成纳米La2O3的反应方程式
3.994NH4NO3+0.156La(NO3)3⋅6H2O+0.071C18H38+0.021C24H44O6+2H2O→0.078La2O3+12.735H2O↑+1.697CO2↑+0.085CO↑+4.228N2↑ (1) 依据爆轰反应方程，已知热化学参数[19]（见表3，其中，M为各物质的摩尔质量，ΔHm为生成物的生成焓），可计算出混合炸药的爆热为2733 J/g，本次实验产生的热量为1229.8 kJ。对比TNT的爆热4186 J/g，可得本实验专用乳化炸药的TNT当量为0.65。
表 3 混合炸药及爆轰产物的热化学参数[19]Table 3. Thermochemical parameters of composite explosives and detonation products[19]Molecular formula M/(g·mol−1) ΔHm/(kJ·mol−1) Molecular formula M/(g·mol−1) ΔHm/(kJ·mol−1) NH4NO3 80 −353.5 H2O(l) 18 −286.1 La(NO3)3·6H2O 433 −3887.3 H2O(g) 18 −241.8 C18H38 254 −558.0 CO2 44 −393.5 C24H44O6 428 −1333.9 CO 28 −110.5 La2O3 172 −1089.9 N2 28 0 2.2 样品得率
本次实验中，根据爆炸反应方程式，计算得到La2O3的理论产量为25.413 g，对样品称重后，得到实际的产量为4.127 g，因此，纳米La2O3的得率为16.2%。考虑到本次实验中炸药药量较小（450 g），可以通过提高乳化炸药药量来增加纳米La2O3的产量。
2.3 爆轰法合成的La2O3的表征与性能测定
2.3.1 样品La2O3的物相分析
实验产物的X射线衍射谱如图2所示。将其与La2O3的标准PDF卡片（JCPDS 05-0602）比较发现，实验产物的XRD的尖锐衍射峰与La2O3的尖锐衍射峰基本一致。样品1在37.603°和43.843°两处有较低的衍射峰，样品3在33.122°处也有较低的衍射峰，对比标准PDF卡片可以确定这些衍射峰均由Fe2O3产生，可能是因为收集爆轰灰时将真空爆炸容器内壁的铁锈也一并收集进来了。此外，未观察到其他物质的明显衍射峰，说明La2O3纳米粒子较为纯净，尖锐的衍射峰说明其具有良好的结晶度。随着煅烧温度的提高，La2O3的衍射峰强持续升高，衍射峰半峰宽变窄， 颗粒的晶型发育得越来越完善，样品晶格收缩，晶面间距减小。样品1的XRD谱的衍射峰没有其他样品明显，且呈“馒头峰”样式，因此，样品1的结晶性较差。样品3在26.110°、29.960°和46.084°处的衍射峰较强，分别对应(100)、(101)和(110)晶面。其中，2θ为29.960°时，衍射峰最高且最尖锐，说明样品3的结晶度最好，晶粒尺寸最大。在29.130°、39.527°、52.132°和55.439°处的衍射峰分别对应(002)、(102)、(103)和(112)晶面。样品3的衍射峰与六方晶型La2O3的标准卡片（JCPDS 05-0602）相吻合，说明样品3为单一的六方晶系结构。
2.3.2 样品La2O3的SEM分析
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为样品1、2、3的扫描电子显微图像。图3(a)显示，La2O3纳米粉体颗粒近似为球状。图3(b)和图3(c)显示，La2O3纳米粉体的表面形貌为条状或片层状，形貌相对规整。由图3可知，随着煅烧温度的升高，合成的La2O3晶粒体积增大，图3(c)中粉末的粒径范围为50～175 nm。晶粒尺寸增大可能是因为升温导致体系中不均匀沉淀的减少和晶核生长所需能量的充分供给。此外，随着温度的升高，一方面，La2O3晶粒间团聚作用力在一定程度上有所减弱，粉体粒子间距增加，粉体的单分散性得到改善；另一方面，晶粒成核速度加快，晶粒易于团聚。
图 3 不同La2O3样品的SEM图像Figure 3. Scanning electron microscopic images of different La2O3 samples2.3.3 样品La2O3的FT-IR分析
图4为样品的FT-IR谱。由于样品均为La2O3，只是形貌和晶型不同，因此，测量获得的3个样品的红外光谱差别不大。从图4可以清楚地看到，3个主要峰分别位于3448、1465和650 cm−1处。除3个主峰外，1635 cm−1附近还存在一个峰，可能来自样品外表面水分子的H―O―H键的弯曲振动，说明La2O3粉体在保存过程中吸水，有部分游离水存在。位于3448 cm−1附近的吸收峰是由La2O3表面的羟基（由La2O3吸附大气中的水分产生的[20]）和吸附水的O―H键的基本拉伸振动引起。650 cm−1附近的吸收带可归因于La―O键的拉伸振动，该吸收带进一步证实了产物为La2O3粉末。1465 cm−1处的吸收带是由C―O键的变形振动和伸缩振动造成，可能与La2O3表面吸附水和CO2后形成的碳酸盐[20]有关。随着煅烧温度的升高，波数在1465 cm−1附近的吸收峰的峰值逐渐减小，且吸收峰位置出现“红移”现象。对于经800 ℃处理后的样品3，1465 cm−1附近的吸收峰已基本消失，主要是由于煅烧温度的升高导致纳米La2O3样品中的水分不断蒸发。
2.3.4 样品La2O3的UV-Vis分析
图5(a)是La2O3纳米颗粒吸附甲基橙后在黑暗环境中的UV-Vis吸收光谱。吸光度（absorbance）为以10为底的入射光与透射光强度比值的对数。图5(a)显示，样品1、2、3在190～420 nm波长范围内均有很强的吸收，在波长为316 nm（紫外中波区）处，3组样品均出现明显的吸收峰，表现出La2O3粉末对紫外光的强吸收。其原因可能是实验制备的La2O3的粒径范围集中在50～175 nm区间，粒径较小，结晶度较好，紫外吸收的效果好。在波长为207 nm（紫外短波区）处，样品1的吸收峰最高，说明煅烧温度升高后样品2和样品3的晶粒粒径增大，比表面积减小，粉体的紫外吸收性能减弱。在波长为207 nm处，样品3和样品2的吸收峰幅值变化比样品1和样品2的吸收峰的幅值变化大，这是由于在800 ℃的煅烧温度下形成的La2O3粉末（样品3）的晶型发生了改变，变为六方晶体结构，其紫外吸收能力更强。因此，相对于粒径尺寸，晶体结构对紫外吸收能力的影响更大[21]。样品在紫外长波区的吸收峰比在前两个波长区的吸收峰低，对可见光无吸收现象。由图5(a)可知，不同煅烧温度下La2O3纳米粉体对紫外线的吸收度均高于0.6，所以，爆轰法合成的La2O3纳米粉末可用作紫外吸收剂和防晒剂。
图 5 (a) 不同La2O3粉体的UV-Vis漫反射吸收光谱和(b) 样品3的(αhv)2-能量变换关系Figure 5. (a) UV-Vis diffuse reflection absorption spectra of different La2O3 powdersand (b) (αhv)2-Energy transformation diagram of sample 3图5(b)给出了样品3的(αhv)2-能量曲线，其中，α为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率。可以看出，La2O3的禁带宽度为5.34 eV，略小于文献[22]报道的5.55 eV，可能是因为La2O3在长期保存过程中吸收空气中的CO2和H2O形成
CO2−3 所致。La2O3的禁带宽度较宽，可见光及其他波长更长的光的能量低，不能激发价带上的电子，而太阳光中具有较高能量的紫外光可激发价带上的电子跃迁至导带。因此，以紫外光为照射光源，样品纳米La2O3有望获得更佳的光催化性能。2.3.5 样品La2O3的比表面积测定
在标准温度和压力状态下进行比表面积测定，根据N2吸附-脱附等温线，评价了不同煅烧温度对所制备样品的比表面积和孔隙率特性的影响，结果如图6和表4所示。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类方法[23]，3种样品的吸附等温线均为Ⅳ型，表明实验制备的纳米La2O3都含有一定的介孔结构[24]。依照Brunauer 吸附等温线分类（BDDT）方法[23]，3种样品的滞后环均为H3型，表明由纳米片或纳米球堆叠形成的孔为狭缝状孔[24]。采用孔径分布法（BJH）[25]对脱附支路数据进行孔径分布分析，结果见图6中的插图，可以观察到样品1、2和3的孔径分别在26.2、38.2和51.6 nm处呈现出高强度峰，说明随着煅烧温度的升高，孔径随粉体尺寸的增加而不断增大，即孔径与粒径呈正相关。3种样品的H3型滞后环均较为陡峭，包围的面积较小，毛细作用小，表明3种样品的孔道有序性都较好，且孔径分布集中。当煅烧温度从750 ℃升至800 ℃时，纳米La2O3的比表面积SBET从17.4581 m2/g降低至16.9762 m2/g，对应的孔体积Vpore从0.146736 cm3/g降低至0.103253 cm3/g，可能是由纳米粒子之间合并生长加快和团聚所造成的。
图 6 不同La2O3样品的N2吸附-脱附等温线和相应的孔径分布曲线Figure 6. N2 adsorption-desorption isotherms and corresponding pore size distribution curves of different La2O3 samples表 4 不同热处理温度下纳米La2O3表面的性能参数Table 4. Performance parameters of nano-La2O3 surfaces under different heat treatment temperaturesSample SBET/(m2·g−1) Vpore/(cm3·g−1) Pore diameter/nm 1 16.5194 0.124929 27.7599 2 17.4581 0.146736 31.0622 3 16.9762 0.103253 32.9184 2.3.6 样品La2O3的CO2-TPD 和O2-TPD分析
CO2-TPD测定结果如图7(a)所示。图7(a)中，纵坐标上的TCD信号代表样品充分吸附CO2酸性气体后，在升温过程中脱附CO2所产生信号的强度，峰的高低代表碱性位强弱。700、750和800 ℃煅烧温度下获得的纳米La2O3粉末均具有两个明显的脱附峰：一个较强峰位于100～400 ℃温度区间，峰值分别在373、390 和337 ℃处；一个较弱峰位于400～550 ℃温度区间，峰值分别在425、500和503 ℃处。这两个强弱脱附峰分别对应La2O3上的强碱性位和较弱碱性位。当温度在500～700 ℃区间时，碳酸盐物种会分解生成La2O2CO3或其他类型的碳酸盐；当温度高于800 ℃时，会得到La2O3。所以，样品中可能存在La2O2CO3或其他类型的碳酸盐，与FT-IR结果一致。在煅烧温度从700 ℃升高至750 ℃的过程中，分布在200～400 ℃温度区间的高强度峰的峰值增加，说明爆轰法制得的介孔La2O3具有的碱性位个数增加，且此碱性位为中强碱性位，有利于其吸附能力（尤其是对酸性气体，如CO2）增强[26]。当煅烧温度从750 ℃继续升至800 ℃时，分布在200～400 ℃温度区间的高强度峰峰值减小，而分布在400～550 ℃温度区间的弱强度峰峰值增加，说明La2O3具有的弱碱性位个数增加。
图 7 La2O3的CO2-TPD (a) 和O2-TPD (b)Figure 7. CO2-TPD (a) and O2-TPD (b) profiles of La2O3O2-TPD分析可以反映氧物种的迁移性能，不同煅烧温度下获得的La2O3的O2-TPD测试结果如图7(b)所示。图7(b)中，纵坐标的TCD信号代表样品充分吸附O2后，在升温过程中脱附O2所产生信号的强度。3种样品均具备两个氧解吸峰：在300～400 ℃区间内，脱附的氧物种对应表面吸附氧（α-O2）；在500～700 ℃区间，脱附的氧物种对应晶格氧（β-O2）[27]。当煅烧温度从700 ℃升至800 ℃的过程中，α-O2和β-O2的脱附量与煅烧温度呈正相关，说明：在高煅烧温度下，La2O3生成了较多的氧空位，使得分子氧得以解离扩散；同时，La―O键的键长或强度发生改变，使得晶格氧的活动度增强。在300～400 ℃区间，3种样品的峰值都较高，样品1、2、3的最高峰对应的温度分别为375、356和391 ℃，所以，样品2比样品1和样品3更易脱附α-O2。在500～700 ℃区间内，3种样品的峰值都较低，说明样品虽然发生了β-O2脱附，但脱附量很少。由此可见，样品2具有更好的氧迁移性能。
3. 结 论
以La(NO3)3·6H2O作为镧源制作专用乳化炸药，采用爆轰法制备纳米级La2O3粉末，大大缩短了工艺流程。爆轰法为实现纳米La2O3粉末的工业化生产提供了一种新的参考方法。
(1)制备的La2O3粉末粒径在50～175 nm范围，La2O3结构为六方晶系结构，结晶度和纯度较高，粉末分散性较好，形貌规整。采用450 g乳化炸药在0.5 kg TNT当量的真空爆炸容器内开展实验研究，一次获得4.127 g纳米La2O3粉末，La2O3的得率为16.2%。
(2)通过UV-Vis表征分析可知，3种样品对可见光无吸收现象，但对紫外光都有明显的吸收效果，且吸收度均在0.6以上；La2O3粉末的粒径和晶型结构对紫外光的吸收能力都有影响，且后者影响更大。制备的纯净纳米La2O3粉末的禁带宽度为5.34 eV，禁带宽度较高，导致纯纳米La2O3粉末的可见光催化效果不好，后期可研究在紫外光照射下La2O3的光催化性能。
(3) BET比表面仪的氮气吸附法测定结果表明，爆轰法制备的纳米La2O3粉末的比表面积最大为17.46 m2/g，孔径范围分布较广，3种样品的孔径分别为26.2、38.2 和 51.6 nm，孔形多为狭缝状。
(4)通过CO2-TPD分析可知，煅烧温度的升高导致不同强度碱性位点的形成及增多；通过O2-TPD分析可知，随着煅烧温度的升高，La2O3生成的氧空位增多，样品的吸附氧能力增强。
-
图 3 不同La2O3样品的SEM图像
Figure 3. Scanning electron microscopic images of different La2O3 samples
图 5 (a) 不同La2O3粉体的UV-Vis漫反射吸收光谱和(b) 样品3的(αhv)2-能量变换关系
Figure 5. (a) UV-Vis diffuse reflection absorption spectra of different La2O3 powdersand (b) (αhv)2-Energy transformation diagram of sample 3
图 6 不同La2O3样品的N2吸附-脱附等温线和相应的孔径分布曲线
Figure 6. N2 adsorption-desorption isotherms and corresponding pore size distribution curves of different La2O3 samples
图 7 La2O3的CO2-TPD (a) 和O2-TPD (b)
Figure 7. CO2-TPD (a) and O2-TPD (b) profiles of La2O3
表 1 专用乳化炸药配方设计
Table 1. Formulation design of specialised emulsified explosive
No. Mass fraction/% Oxygen balance NH4NO3 La(NO3)3·6H2O H2O Emulsifiers Composite wax 1 81 5 8 2 4 −0.0061 2 76 10 8 2 4 0.0024 3 71 15 8 2 4 0.0109 4 66 20 8 2 4 0.0194 
下载: 导出CSV
表 2 专用乳化炸药爆炸的实验结果
Table 2. Pre-experimental results of specialized emulsion explosives
No. Explosive transmission
abilityAverage burst speed/(cm·s−1) 1 Full explosion 4015.1 2 Full explosion 4247.9 3 Full explosion 4513.5 4 Explosion rejection
下载: 导出CSV
表 3 混合炸药及爆轰产物的热化学参数[19]
Table 3. Thermochemical parameters of composite explosives and detonation products[19]
Molecular formula M/(g·mol−1) ΔHm/(kJ·mol−1) Molecular formula M/(g·mol−1) ΔHm/(kJ·mol−1) NH4NO3 80 −353.5 H2O(l) 18 −286.1 La(NO3)3·6H2O 433 −3887.3 H2O(g) 18 −241.8 C18H38 254 −558.0 CO2 44 −393.5 C24H44O6 428 −1333.9 CO 28 −110.5 La2O3 172 −1089.9 N2 28 0
下载: 导出CSV
表 4 不同热处理温度下纳米La2O3表面的性能参数
Table 4. Performance parameters of nano-La2O3 surfaces under different heat treatment temperatures
Sample SBET/(m2·g−1) Vpore/(cm3·g−1) Pore diameter/nm 1 16.5194 0.124929 27.7599 2 17.4581 0.146736 31.0622 3 16.9762 0.103253 32.9184
下载: 导出CSV
-
[1] LIU X, ZHANG T T, ZHANG L, et al. In-situ construction of ultra-thin graphitic carbon nitride supported lanthanum oxide nanosheet heterostructures with enhanced photocatalytic hydrogen evolution activity [J]. ChemPhotoChem, 2022, 6(2): e202100161. [2] WANG L Y, YU X H, WEI Y C, et al. Research advances of rare earth catalysts for catalytic purification of vehicle exhausts-commemorating the 100th anniversary of the birth of Academician Guangxian Xu [J]. Journal of Rare Earths, 2021, 39(10): 1151–1180. doi: 10.1016/j.jre.2021.05.001 [3] YADAV A A, LOKHANDE A C, KIM J H, et al. Enhanced sensitivity and selectivity of CO2 gas sensor based on modified La2O3 nanorods [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 723: 880–886. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.06.223 [4] XIAO L J, DENG M, ZENG W G, et al. Novel robust superhydrophobic coating with self-cleaning properties in air and oil based on rare earth metal oxide [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, 56(43): 12354–12361. [5] LIU X R, WU A P, XIONG L C, et al. Electrospinning preparation and adsorption properties of La2O3 nanofibers and photoluminescence properties of La2O3: Eu nanofibers [J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2022, 431: 114010. [6] YU L K, HAN Y, LIN R L, et al. Controllable synthesis and luminescence properties of one-dimensional La2O3 and La2O3: Ln3+ (Ln = Er, Eu, Tb) nanorods with different aspect ratios [J]. Journal of Luminescence, 2021, 229: 117663. [7] WANG H, YANG C, LIU S X. Electrochemical performance of La2O3/Li2O/TiO2 nano-particle coated cathode material LiFePO4 [J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2014, 14(9): 6880–6884. doi: 10.1166/jnn.2014.8923 [8] 朱琳娜. 稀土氧化镧气敏材料的制备、改性及其性能的研究 [D]. 南宁: 广西大学, 2020.ZHU L N. Preparation, modification and properties of rare earth lanthanum oxide gas sensing material [D]. Nanning: Guangxi University, 2020. [9] 王丽华, 伊晓东. 纳米氧化镧的制备及性能研究 [J]. 福建师范大学学报(自然科学版), 2012, 28(4): 60–63.WANG L H, YI X D. Preparation and performance of nanosized La2O3 [J]. Journal of Fujian Normal University (Natural Science Edition), 2012, 28(4): 60–63. [10] 俞娟, 李兵, 潘申成, 等. 水热法制备La2O3微球及其电催化产氧性能研究 [J]. 牡丹江师范学院学报(自然科学版), 2019(4): 30–33.YU J, LI B, PAN S C, et al. Hydrothermal synthesis of La2O3 microsphere and its oxygen evolution reaction performance [J]. Journal of Mudanjiang Normal University (Natural Sciences Edition), 2019(4): 30–33. [11] 薛越, 李新梅. 沉淀法制备碳载纳米氧化镧 [J]. 无机盐工业, 2015, 47(8): 34–36.XUE Y, LI X M. Synthesis of carbon supported nano-sized lanthanum oxide by precipitation method [J]. Inorganic Chemicals Industry, 2015, 47(8): 34–36. [12] 刘泽芳, 刘永畅, 巫圣喜, 等. 草酸盐沉淀法制备不同形貌粒度的La2O3粉体 [J]. 中国稀土学报, 2020, 38(6): 798–807.LIU Z F, LIU Y C, WU S X, et al. Preparation of La2O3 powder with different morphology and particle size by oxalate precipitation [J]. Journal of the Chinese Society of Rare Earths, 2020, 38(6): 798–807. [13] JIN H X, WANG J, YIN Y Y, et al. The preparation of La2O3@AAO with simple hydrothermal method under ambient pressure and the enhanced electrowetting-on-dielectric performance [J]. Superlattices and Microstructures, 2017, 110: 233–242. doi: 10.1016/j.spmi.2017.08.037 [14] 赵金花, 王宇松, 傅韬, 等. 离子液体辅助燃烧法制备多孔La2O3及其吸附性能研究 [J]. 工业水处理, 2020, 40(9): 49–53.ZHAO J H, WANG Y S, FU T, et al. Preparation of porous cerium oxide synthesized by low temperature combustion method assisted by ionic liquid and its adsorption properties analysis [J]. Industrial Water Treatment, 2020, 40(9): 49–53. [15] 王晓月, 刘桂英, 沈美玉, 等. 溶胶凝胶法制备La2O3/AAO纳米阵列及其催化性能 [J]. 精细化工, 2016, 33(5): 546–551.WANG X Y, LIU G Y, SHEN M Y, et al. Preparation and catalytic properties of La2O3/AAO nanoarrays by sol-gel method [J]. Fine Chemicals, 2016, 33(5): 546–551. [16] MOOTHEDAN M, SHERLY K B. Synthesis, characterization and sorption studies of nano lanthanum oxide [J]. Journal of Water Process Engineering, 2016, 9: 29–37. doi: 10.1016/j.jwpe.2015.11.002 [17] 卢博, 刘宜强, 刘欣, 等. 草酸沉淀法制备超细氧化镧粉体研究 [J]. 无机盐工业, 2021, 53(5): 66–68.LU B, LIU Y Q, LIU X, et al. Study on preparation of ultrafine lanthanum oxide powder by precipitation with oxalic acid [J]. Inorganic Chemicals Industry, 2021, 53(5): 66–68. [18] 吕春绪. 工业炸药理论 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 2003.LYU C X. Industrial explosives theory [M]. Beijing: Ordnance Industry Press, 2003. [19] 巴伦. 纯物质热化学数据手册 [M]. 程乃良, 牛四通, 徐桂英, 等, 译. 北京: 科学出版社, 2003.BARIN I. Thermochemical data of pure substances [M]. Translated by CHENG N L, NIU S T, XU G Y, et al. Beijing: Science Press, 2003. [20] SHENG J, ZHANG S, LV S, et al. Surfactant-assisted synthesis and characterization of lanthanum oxide nanostructures [J]. Journal of Materials Science, 2007, 42(23): 9565–9571. doi: 10.1007/s10853-007-1816-2 [21] 万静, 何茗. 超细氧化铈结晶度和粒径对抗紫外性能影响研究 [J]. 西南民族大学学报(自然科学版), 2012, 38(1): 106–112.WAN J, HE M. The influence of the crystallinity and particle size on the ultraviolet absorption of CeO2 powder [J]. Journal of Southwest University for Nationalities (Natural Science Edition), 2012, 38(1): 106–112. [22] LI S, LIN Y Y, WU Y Q, et al. Effect of Fe impurity on performance of La2O3 as a high k gate dielectric [J]. Ceramics International, 2019, 45(16): 21015–21022. [23] THOMMES M. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) [J]. Chemistry International, 2016, 38(1): 25. doi: 10.1515/ci-2016-0119 [24] ZHAI Z, YANG X Y, XU L, et al. Novel mesoporous NiO/HTiNbO5 nanohybrids with high visible-light photocatalytic activity and good biocompatibility [J]. Nanoscale, 2012, 4(2): 547–556. doi: 10.1039/C1NR11091H [25] 张伟庆, 黄滨, 余小岚, 等. 对BJH方法计算孔径分布过程的解读 [J]. 大学化学, 2020, 35(2): 98–106. doi: 10.3866/PKU.DXHX201906022ZHANG W Q, HUANG B, YU X L, et al. Interpretation of BJH method for calculating aperture distribution process [J]. University Chemistry, 2020, 35(2): 98–106. doi: 10.3866/PKU.DXHX201906022 [26] WANG X X, SCHWARTZ V, CLARK J C, et al. Infrared study of CO2 sorption over “molecular basket” sorbent consisting of polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(17): 7260–7268. doi: 10.1021/jp809946y [27] ZHU J J, LI H L, ZHONG L Y, et al. ChemInform abstract: perovskite oxides: preparation, characterizations, and applications in heterogeneous catalysis [J]. ChemInform, 2014, 45(44): 2917–2940. -
下载:
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 240
- HTML全文浏览量: 88
- PDF下载量: 39
